(57)【要約】【課題】  リッジ部の側面の傾斜を垂直に近づけることができる光半導体素子の製造方法を提供することを目的とする。【解決手段】  基板上に形成されたＩｎＧａＡｌＰ層をその厚みの途中まで選択的にドライエッチングして略ストライプ状の凸状体を形成する工程と、前記凸状体の上面と両側面とに保護膜を形成する工程と、前記凸状体の周囲の前記ＩｎＧａＡｌＰ層をフッ酸を含有する溶液でエッチングすることにより、前記凸状体を含むリッジを形成する工程と、を備えたことを特徴とする光半導体素子の製造方法を提供する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成されたＩｎＧａＡｌＰ層をその厚みの途中まで選択的にドライエッチングして略ストライプ状の凸状体を形成する工程と、
前記凸状体の上面と両側面とに保護膜を形成する工程と、
前記凸状体の周囲の前記ＩｎＧａＡｌＰ層をフッ酸を含有する溶液でエッチングすることにより、前記凸状体を含むリッジを形成する工程と、
を備えたことを特徴とする光半導体素子の製造方法。
【請求項２】
基板上にＩｎＧａＰ層とその上に設けられたＩｎＧａＡｌＰ層とを含む積層体を形成する工程と、
前記ＩｎＧａＡｌＰ層をその厚みの途中まで選択的にドライエッチングして略ストライプ状の凸状体を形成する工程と、
前記凸状体の上面と両側面とに保護膜を形成する工程と、
前記凸状体の周囲の前記保護膜に覆われていない前記ＩｎＧａＡｌＰ層をフッ酸を含有する溶液で前記ＩｎＧａＰ層に至るまでエッチングすることにより前記凸状体を含むリッジを形成する工程と、
を備えたことを特徴とする光半導体素子の製造方法。
【請求項３】
基板上に、第１導電型の第１クラッド層と、前記第１クラッド層の上に設けられた活性層と、前記活性層の上に設けられたエッチングストップ層と、前記エッチングストップ層の上に設けられた第２導電型の第２クラッド層と、をこの順に積層する工程と、
前記第２クラッド層をその厚みの途中まで選択的にドライエッチングすることにより、前記第２クラッド層に略ストライプ状の凸状体を有するリッジストライプ部と前記凸状体の両側に設けられた非リッジストライプ部とを形成する工程と、
前記凸状体の上面と両側面と、前記非リッジストライプ部の上面と、を保護膜で覆う工程と、
前記非リッジストライプ部の上面に形成された前記絶縁膜を除去して前記非リッジストライプ部を露出させる工程と、
前記非リッジストライプ部を、フッ酸を含む溶液でエッチングして、前記エッチングストップ層を露出させる工程と、
を備えたことを特徴とする光半導体素子の製造方法。
【請求項４】
前記第１クラッド層はＩｎＧａＡｌＰからなり、前記エッチングストップ層はＩｎＧａＰからなり、前記第２クラッド層はＩｎＧａＡｌＰからなることを特徴とする請求項３記載の光半導体素子の製造方法。
【請求項５】
前記第２クラッド層は、Ｚｎがドープされていることを特徴とする請求項３または４に記載の光半導体素子の製造方法。
【請求項６】
前記保護膜は、ＡｌＮ、ＴｉＮ、ＳｉＮ及びＳｉＯＮよりなる群から選ばれたいずれかからなることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の光半導体素子の製造方法。
【請求項７】
前記光半導体は、半導体レーザ素子であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の光半導体素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光半導体素子の製造方法に関し、より詳細には、リッジ導波路を有する光半導体素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＤＶＤ（Digital Versatile Disc）記録システムは、テレビジョン放送や、コンピュータ用大容量記録のために、広く普及が進んでいる。通常のＤＶＤ書き込みに際しては、波長が７３０ナノメータ帯の高出力の半導体レーザ装置が必要である。
【０００３】
このような高出力の半導体レーザ装置を実現するために、いわゆる「リッジ導波路型」のＩｎＧａＡｌＰ系半導体レーザ素子が用いられる。この構造は、ダブルへテロ接合上に設けられるクラッド層に、ストライプまたはテーパなどのリッジ部を形成し、水平横モードを制御するものであり、「屈折率導波構造」などと呼ばれることもある。
【０００４】
リッジストライプを形成する工程の一部に、リッジ部の側壁に形成した保護膜をエッチング除去する工程に続いて、リッジストライプを構成するＩｎＧａＡｌＰクラッド層をエッチング除去する工程がある。従来は、ドライエッチングによって保護膜を除去した後、リン酸Ｈ３ＰＯ４溶液を用いたウエットエッチングによってリッジストライプを構成するクラッド層をエッチング除去する手法がよく用いられてきた。
【０００５】
しかし、リン酸Ｈ３ＰＯ４溶液を用いたウエットエッチングでは、リッジ部の裾が広がった形になりやすく、リッジ部の形状の制御は不十分であった。リッジ部の裾が拡がると高次横方向モードが発生しやすく、出力特性におけるキンク発生が半導体レーザ装置の高出力への障害となっていた。
【０００６】
リッジ部の側面の傾斜を垂直に近づけ、かつリッジを高くするために、複数の層からなるリッジストライプ部を形成するという技術開示例がある（例えば、特許文献１参照）。  
しかしながら、この例によると、複数の層を形成するため工程数が増え、製造生産性が悪いという問題があった。  
すなわち、エッチングするクラッド層とその下のエッチングストップ層との選択比が悪いためエッチング量の制御ができないため、リッジ部の上部側面の傾斜を垂直に近づけにくく、かつリッジ部下部側面に裾部を生じるという問題とがあった。
【０００７】
また、半導体レーザ素子の他にも、例えば、リッジ導波路型のＬＥＤ（light emitting diode）や受光素子、光導波路素子、光スイッチング素子、フィルタ素子などにおいて、リッジの側面を垂直に形成することが要求される場合が多い。
【特許文献１】特許公開２００３−３３２６９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、リッジ部の側面の傾斜を垂直に近づけ、裾部の広がりを低減できる光半導体素子の製造方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一態様によれば、
基板上に形成されたＩｎＧａＡｌＰ層をその厚みの途中まで選択的にドライエッチングして略ストライプ状の凸状体を形成する工程と、
前記凸状体の上面と両側面とに保護膜を形成する工程と、
前記凸状体の周囲の前記ＩｎＧａＡｌＰ層をフッ酸を含有する溶液でエッチングすることにより、前記凸状体を含むリッジを形成する工程と、
を備えたことを特徴とする光半導体素子の製造方法が提供される。
【００１０】
また、本発明の他の一態様によれば、
基板上に、ＩｎＧａＰ層とその上に設けられたＩｎＧａＡｌＰ層とを含む積層体を形成する工程と、
前記ＩｎＧａＡｌＰ層をその厚みの途中まで選択的にドライエッチングして略ストライプ状の凸状体を形成する工程と、
前記凸状体の上面と両側面とに保護膜を形成する工程と、
前記凸状体の周囲の前記保護膜に覆われていない前記ＩｎＧａＡｌＰ層をフッ酸を含有する溶液で前記ＩｎＧａＰ層に至るまでエッチングすることにより前記凸状体を含むリッジを形成する工程と、
を備えたことを特徴とする光半導体素子の製造方法が提供される。
【００１１】
また、本発明のさらに他の一態様によれば、
基板上に、第１導電型の第１クラッド層と、前記第１クラッド層の上に設けられた活性層と、前記活性層の上に設けられたエッチングストップ層と、前記エッチングストップ層の上に設けられた第２導電型の第２クラッド層と、をこの順に積層する工程と、
前記第２クラッド層をその厚みの途中まで選択的にドライエッチングすることにより、前記第２クラッド層に略ストライプ状の凸状体を有するリッジストライプ部と前記凸状体の両側に設けられた非リッジストライプ部とを形成する工程と、
前記凸状体の上面と両側面と、前記非リッジストライプ部の上面と、を保護膜で覆う工程と、
前記非リッジストライプ部の上面に形成された前記絶縁膜を除去して前記非リッジストライプ部を露出させる工程と、
前記非リッジストライプ部を、フッ酸を含む溶液でエッチングして、前記エッチングストップ層を露出させる工程と、
を備えたことを特徴とする光半導体素子の製造方法が提供される。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、リッジ部の側面の傾斜を制御性良く加工することができる光半導体素子の製造方法が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。  
図１は、本発明の実施の形態にかかる光半導体素子の製造方法の要部を説明するためのフローチャートである。すなわち、同図は、リッジ型導波路を有する半導体レーザ素子のリッジストライプ部の形成方法を説明するためのフローチャートである。
【００１４】
また、図２〜図７は、本発明の実施の形態にかかる光半導体素子の製造方法の要部を表す工程図である。ここで、図２〜図７はそれぞれ、図１におけるステップＳ１０〜Ｓ１５に対応する。
【００１５】
本実施形態においては、まず、図２に表したように、基板１０の上に、バッファー層１１、クラッド層１２、光ガイド層１３、多重量子井戸（以下、ＭＱＷ：Multi Quantum Well）活性層１４、光ガイド層１５、オーバーフロー防止層１６、エッチングストップ層１７、クラッド層１８、ｐ型ＩｎＧａＰ通電容易層１９、コンタクト層２０、をこの順にエピタキシャル成長させ、積層体を形成する（ステップＳ１０）。
【００１６】
各層の具体的な組成としては、ｎ型ＧａＡｓ基板１０の上に、ｎ型ＧａＡｓバッファー層１１、ｎ型ＩｎＧａＡｌＰ（Ａｌ組成比：０．７）クラッド層１２、ｎ型ＩｎＧａＡｌＰ光ガイド層１３と、ＭＱＷ活性層１４と、ｐ型ＩｎＧａＡｌＰ光ガイド層１５と、ｐ型ＩｎＧａＡｌＰ（Ａｌ組成比：０．７）オーバーフロー防止層１６と、ｐ型ＩｎＧａＰエッチングストップ層１７と、ｐ型ＩｎＧａＡｌＰ（Ａｌ組成比：０．７）クラッド層１８と、ｐ型ＩｎＧａＰ通電容易層１９と、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層２０と、をこの順にエピタキシャル成長させた積層体を挙げることができる。  
ただし、本発明において形成する光半導体素子はこれらの組成だけに限定されるわけではなく、その他の組成からなる層を用いてもよい。
【００１７】
また、ｎ型ＧａＡｓ基板１０としては、被成長基板として［０１１］方向に１５度オフ（ｏｆｆ）した、（１００）ＧａＡｓ基板を用いる。
【００１８】
次に、図３に表したように、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層２０の上面に、ストライプ状にレジスト２１を形成する（ステップＳ１１）。  
続いて、図４に表したように、レジスト２１をマスクとして、コンタクト層２０と通電容易層１９とクラッド層１８とを、クラッド層１８の厚み方向の途中までエッチングすることにより、略ストライプ状の凸状体を形成する（ステップＳ１２）。この略ストライプ状の凸状体が、最終的に形成されるリッジストライプの一部を構成する。ここで、クラッド層１８のうち、図中の点線３０で囲んだ領域をリッジストライプ部とし、図中の点線３１で囲んだ領域を非リッジストライプ部とする。
【００１９】
この工程では、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）によってクラッド層１８の途中までドライエッチングする。ＲＩＥによるエッチングでは、エッチングストップ層１７との選択比がうまくとれないため、精密なエッチング終端を期待できない。それゆえ、クラッド層１８の途中までをＲＩＥでエッチングし、残されたクラッド層１８は後述するウェットエッチングによって完全にエッチング除去する。
【００２０】
次に、図５に表したように、リッジストライプ部の側壁及び上面と、クラッド層１８の上面に保護膜２２を形成する（ステップＳ１３）。このとき、保護膜２２としては、例えばシリコン窒化膜ＳｉＮを、化学気相成長法：ＣＶＤ（chemical Vapor Deposition）などによって形成する。これまで、保護膜２２としては、ＳｉＯ２膜を用いる場合が多かった。これに対して、本発明の実施の形態においては、後述する工程でフッ酸ＨＦによるウエットエッチングを行うため、フッ酸系エッチャントに対するエッチング速度が遅いシリコン窒化膜ＳｉＮを用いることが望ましい。
【００２１】
さらに、図６に表したように、保護膜２２のうち、クラッド層１８の上面の部分のみをＲＩＥによってドライエッチングする（ステップＳ１４）。すなわち、非リッジストライプ部の保護膜２２をエッチング除去する。
【００２２】
最後に、図７に表したように、残されたクラッド層１８をエッチングする。このとき、本発明の実施の形態においてはフッ酸ＨＦをエッチング液としてウエットエッチングを行う。
【００２３】
図７（ステップＳ１５）に表した工程の後に、コンタクト層２０の上面と基板１０の裏面とに、上部電極と下部電極とをそれぞれ形成する工程などが続くが、それらの工程は、例えば、公知の技術で形成できるので、その説明は省略する。
【００２４】
図８は、本発明の実施の形態にかかる光半導体素子の製造方法によってリッジストライプ部３０を形成した半導体レーザ素子の積層構造をレーザ端面側から眺めた正面図である。すなわち、このレーザ素子は、クラッド層１８をフッ酸ＨＦでウエットエッチングして形成された半導体レーザ素子である。
【００２５】
また、図９は、比較例の光半導体素子の製造方法によってリッジストライプ部３０を形成した光半導体装置の積層構造を端面側から眺めた正面図である。すなわち、このレーザ素子は、クラッド層１８をリン酸Ｈ３ＰＯ４でウエットエッチングして形成された半導体レーザ素子である。なお、本比較例においては、保護膜２２として、ＳｉＯ２膜を用いている。
【００２６】
まず、図９に表した比較例について説明する。  
同図からわかるように、リン酸Ｈ３ＰＯ４でウエットエッチングした場合は、リッジストライプ部３０の裾が広がっている。本発明者は、リッジストライプ部３０の裾における接線Ｌ２と、エッチングストップ層１７と、のなす角θを測定した。その結果、リッジストライプ部３１の左側の角度θＬ’が３０度であり、右側の角度θＲ’が６０度であった。
【００２７】
ここで、基板１０としてオフ（ＯＦＦ）基板を用いているので、左右の傾斜角に差がある。  
また、エッチングストップ層１７の上面は平坦ではなく、オーバーエッチングされていることがわかる。
【００２８】
これに対して、本発明の実施の形態にかかる光半導体素子の製造方法によってリッジストライプ部３０を形成した場合、図８に表したように、リッジストライプ部３０の裾の広がりが抑えられていることがわかる。本発明者が、リッジストライプ部３０の裾における接線Ｌ１と、エッチングストップ層１７と、のなす角θを実際に測定した結果、リッジストライプ部３１の左側の角度θＬを４０度、右側の角度θＲを７０度まで実現できた。  
また、リッジストライプ部３１の幅Ｗを、１．５〜３μｍに抑えることができた。また、エッチングストップ層１７の上面はほぼ平坦であり、ほとんどオーバーエッチングされていないことがわかる。
【００２９】
ここで、リン酸Ｈ３ＰＯ４とフッ酸ＨＦをそれぞれエッチング液として用いた場合の、メカニズムの相違について説明する。  
リン酸Ｈ３ＰＯ４をエッチング液として用いた場合は、エッチングに際して、中間生成物として酸化物が生成される。つまり、リン酸により被エッチング材料が酸化され、この酸化物が除去される、というプロセスを経てエッチングが進行する。ところが、酸化物の生成速度はクラッド層の面方位に依存する。それゆえ、クラッド層のエッチングされる方位も、クラッド層の面方位に依存する。そのため、リッジストライプ部３０の垂直形状を維持できず、裾が広がってしまうと考えられる。
【００３０】
これに対して、フッ酸ＨＦをエッチング液として用いた場合は、酸化物を生成することなくクラッド層を除去するので、エッチング後のリッジの形状（角度）は、面方位に依存しない。それゆえ、エッチング後のリッジの傾斜を垂直に近づけることができると考えられる。
【００３１】
次に、フッ酸ＨＦ溶液をエッチング液として用いた場合に、ｐ型ＩｎＧａＰストップ層１７へのオーバーエッチングを防ぐことができるメカニズムについて説明する。
【００３２】
表１は、フッ酸ＨＦ溶液とリン酸Ｈ３ＰＯ４溶液のそれぞれにおける、クラッド層１８のエッチングストップ層１７に対するエッチング速度の選択比を表す一覧表である。すなわち、クラッド層１８のエッチングストップ層１７に対する選択比とは、（クラッド層のエッチング速度）／（エッチングストップ層のエッチング速度）である。
【表１】
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表１からわかるように、リン酸Ｈ３ＰＯ４をエッチング液として用いた場合は、Ｚｎドープ領域における選択比は約１０以下であり、Ｚｎ非ドープ領域においても選択比は約７０以下であった。これに対して、フッ酸ＨＦをエッチング液として用いた場合は、特にＺｎドープ領域における選択比が飛躍的に増加している。濃度４９％のフッ酸ＨＦ溶液中では、選択比が４０５にまで増加している。
【００３３】
すなわち、フッ酸ＨＦ溶液中ではクラッド層の選択比が高いので、ストップ層へのオーバーエッチングを防ぐことができる。また、フッ酸ＨＦ溶液に対するエッチング速度が遅いＳｉＮ膜を保護膜２２として用いることにより、保護膜２２へのオーバーエッチングも防止できる。
【００３４】
また、本発明の発明者らによる試作検討の結果、以下に示すエッチング条件において、本発明の効果が最も得られることがわかった。
エッチング液の種類：フッ酸ＨＦ溶液
エッチング液の濃度：４９％
エッチング液の温度：室温
エッチング時間：約５分
このエッチング条件によると、クラッド層のエッチング速度は以下の値になった。
縦方向のエッチング速度：３６７Ａ（オングストローム）／ｍｉｎ
横方向のエッチング速度（リッジの右側）：５５４Ａ／ｍｉｎ
横方向のエッチング速度（リッジの左側）：６０２．６Ａ／ｍｉｎ
図１０は、本発明の実施の形態にかかる光半導体素子の製造方法によって製造した光半導体装置のリッジストライプ部３１の近傍をレーザ端面側から眺めた写真である。基板がオフしているために左右が非対称であるが、リッジストライプ部３１の両側壁は、その下のｐ型ＩｎＧａＰストップ層１７に対してほぼ垂直であることがわかる。
【００３５】
図１１は、比較例の光半導体素子の製造方法によって製造した光半導体装置のリッジの近傍を端面側から眺めた写真である。本比較例においても、基板がオフしているために左右が非対称であり、リッジ２１の特に右側の側壁は、その傾斜が緩やかであり、リッジ２１の裾が広がっていることがわかる。
【００３６】
また、本実施形態においては、保護膜２２としてＳｉＮ膜を用いたが、例えばＳｉＯＮ膜や、ＡｌＮ膜や、ＴｉＮ膜を保護膜２２として用いてもよい。ＳｉＯＮ膜や、ＡｌＮ膜や、ＴｉＮ膜も、フッ酸ＨＦ溶液中でのエッチング速度が低いので、同様の効果が得られる。すなわち、ＳｉＯ２膜以外のＳｉＮ系の膜を用いることができる。
ただし、ＡｌＮ膜とＴｉＮ膜は、導電性を有するから、リッジ２１を形成した後に残留しないようにする必要がある。すなわち、ＡｌＮ膜やＴｉＮ膜を形成する場合は、フッ酸溶液中でウエットエッチングを行う工程において、完全にエッチング除去される程度の厚さよりも薄く形成することが望ましい。
【００３７】
以上説明したように、本発明の実施の形態にかかる光半導体素子の製造方法によると、リッジ導波路を有する光半導体レーザ装置の、リッジ導波路の形状を制御できる。具体的には、フッ酸ＨＦ溶液でクラッド層１８をウエットエッチングすることによって、ストライプ状のリッジ導波路の側面を、その下のストップ層１７に対してほぼ垂直に形成できる。また、ストップ層１７のオーバーエッチングを防止できる。その結果、高出力までキンク現象を生じさせることなく、光出力特性の良好な光半導体装置を提供できる。
【００３８】
また、本発明の実施の形態にかかる光半導体素子の製造方法は、光半導体レーザ素子だけでなく、端面発光型ＬＥＤ（Light Emitting Diode）や、光導波構造を有する導波路、受光素子、光スイッチング素子、フィルタ素子などの製造にも応用でき、例えば、光ファイバーを用いた短距離通信の分野をはじめとした各種の分野において産業上のメリットは多大である。
【００３９】
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施形態について説明した。しかし、本発明の光半導体の製造方法は、これらの具体例には限定されない。  
例えば、リッジ導波路型の半導体レーザ装置を構成する各要素の、サイズ・材質・配置関係などに関して、当業者が各種の設計変更を加えたものであっても、本発明の要旨を有する限りにおいて本発明の範囲に包含される。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の実施の形態にかかる光半導体素子の製造方法の要部を説明するためのフローチャートである。
【図２】本発明の実施の形態にかかる光半導体素子の製造方法の要部を表す工程図である。
【図３】本発明の実施の形態にかかる光半導体素子の製造方法の要部を表す工程図である。
【図４】本発明の実施の形態にかかる光半導体素子の製造方法の要部を表す工程図である。
【図５】本発明の実施の形態にかかる光半導体素子の製造方法の要部を表す工程図である。
【図６】本発明の実施の形態にかかる光半導体素子の製造方法の要部を表す工程図である。
【図７】本発明の実施の形態にかかる光半導体素子の製造方法の要部を表す工程図である。
【図８】本発明の実施の形態にかかる光半導体素子の製造方法によってリッジストライプ部３０を形成した半導体レーザ素子の積層構造を端面側から眺めた正面図である。
【図９】比較例の光半導体素子の製造方法によってリッジストライプ部３０を形成した光半導体装置の積層構造を端面側から眺めた正面図である。
【図１０】本発明の実施の形態にかかる光半導体素子の製造方法によって製造した光半導体装置のリッジストライプ部３１の右側の近傍をレーザ端面側から眺めた写真である。
【図１１】比較例の光半導体素子の製造方法によって製造した光半導体装置のリッジの近傍をレーザ端面側から眺めた写真である。
【符号の説明】
【００４１】
１０ 基板
１１ バッファー層
１２ クラッド層
１３ 光ガイド層
１５ 光ガイド層
１７ エッチングストップ層
１８ クラッド層
１９ 通電容易層
２０ コンタクト層
２１ レジスト
２２ 保護膜
３０ リッジストライプ部
３１ リッジストライプ部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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